基于改進電壓模型法的無軸承異步電機轉子位移自檢測方法及控制系統與流程

本發明屬于電氣傳動中的穩定控制領域，具體涉及基于改進電壓模型法的無軸承異步電機轉子位移自檢測方法及控制系統。

背景技術：

近年來，隨著工業的快速發展，人們對電機的需求越來越大，要求也越來越高。和其他傳統電機相比，無軸承異步電機(bearinglessinductionmotor，bim)具有無摩擦、無磨損、無需潤滑、耐腐蝕、壽命長、能實現高速、超高速運行等特點，被廣泛應用在定期維修困難的生命科學領域，易受酸、堿腐蝕的化工領域，以及半導體工業等領域。又因其結構簡單、氣隙均勻、成本低等優點，使其在機械加工、中小型發電設備、人工心臟泵以及對精度要求較高的數控機床等特種電氣驅動/傳動領域具有潛在的應用市場。然而，bim位移傳感器的安裝，阻礙了其高速運行，除此之外，還增大了bim的軸向尺寸。因此開展對bim的無傳感器研究，對其低成本實用化運行具有重要的理論價值和現實意義。

為了解決位移傳感器的安裝帶來的弊端，經過多年研究，bim無位移傳感器矢量控制取得了一定的成就：利用bim兩套繞組之間的互感和轉子徑向位移成線性關系這一特點，在轉矩繞組兩端加上高頻信號，然后通過檢測懸浮繞組中的差分信號來獲取轉子徑向位移，從而達到轉子位移自檢測目的。還可根據懸浮繞組自感與轉子徑向位移成線性關系，在懸浮繞組兩端加上高頻信號，然后由檢測到的懸浮繞組差分信號得到轉子徑向位移。這些方法在一定條件下能夠達到檢測轉子位移的目的，但是，它們存在共同的缺點：注入的高頻信號極易和其他高頻諧波信號摻雜在一起，不容易分離，需要另外安裝信號處理裝置，使控制系統變得更加復雜，同時也增加了成本投入，因此限制了bim向實用化方向發展。除此之外，研究人員還提出利用bim的精確數學模型，建立轉子位移觀測器來實現轉子位移自檢測，但是該方法對電機參數要求較高，魯棒性較差。

技術實現要素：

本發明提供了基于改進電壓模型法的無軸承異步電機轉子位移自檢測方法及控制系統，能夠有效解決傳統方法利用bim的非理想特性，易受電機結構以及參數影響，魯棒性差的問題；解決了高頻信號極易和其他高頻諧波信號摻雜在一起、不容易分離，且需要另外安裝信號處理裝置等缺點；避免機械式位移傳感器對bim高速運行帶來的不利影響。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

基于改進電壓模型法的無軸承異步電機轉子位移自檢測方法，包括如下步驟：

s1，求無軸承異步電機徑向懸浮力繞組由轉子質心偏移產生的磁鏈差ψ″2α、ψ″2β：

s1.1，在兩相靜止α-β坐標系中，電機電感矩陣方程為：

式中，ψ1α、ψ1β分別表示轉矩繞組磁鏈在α、β軸上的分量，ψ2α、ψ2β分別表示徑向懸浮力繞組磁鏈在α、β軸上的分量，l1、l2分別為轉矩繞組、懸浮力繞組的自感，m為轉矩繞組和徑向懸浮力繞組之間的互感，x、y分別為轉子在x軸、y軸上的偏移量，i1α、i1β分別表示轉矩繞組電流在α、β軸上的分量，i2α、i2β分別表示徑向懸浮力繞組電流在α、β軸上的分量；

s1.2，當轉子質心不發生偏移時，電機電感矩陣方程中的x、y為零，此時懸浮力繞組磁鏈為：

s1.3，若轉子質心產生偏移，此時懸浮力繞組磁鏈為：

s1.4，由轉子質心偏移而產生的磁鏈差ψ″2α、ψ″2β為：

s2，辨識懸浮力繞組磁鏈：

s2.1，在兩相靜止α-β坐標系下，以懸浮力繞組定子磁鏈為狀態變量的數學模型為：

式中，ψs2α、ψs2β分別表示徑向懸浮力定子繞組磁鏈在α、β軸上的分量，us2α、us2β分別表示徑向懸浮力定子繞組電壓在α、β軸上的分量，rs2表示徑向懸浮力定子繞組電阻，is2α、is2β分別表示徑向懸浮力定子繞組電流在α、β軸上的分量；

s2.2，以懸浮力繞組定子磁鏈為狀態變量的數學模型變形為：

s2.3，采用低通濾波器代替s2.2模型中的純積分環節，提高辨識精度；

s3，得到轉子徑向自檢測位移：

由轉子質心偏移而產生的磁鏈差ψ″2α、ψ″2β的表達式，可得轉子徑向位移為：

上述方案中，轉矩繞組和徑向懸浮力繞組之間的互感系數其中p為微分算子，m為電機轉子質量，l、r分別為轉子軸向長度、轉子半徑，μ0為空氣磁導率，n1、n2分別為轉矩繞組、徑向懸浮力繞組匝數。

由基于改進電壓模型法的無軸承異步電機轉子位移自檢測方法確定的控制系統，包括懸浮部分、中間部分和旋轉部分，所述懸浮部分得到bim徑向懸浮力繞組三相電流值i2a、i2b和i2c，用于控制電機轉子的懸浮；所述旋轉部分得到bim轉矩繞組三相電流值i1a、i1b、i1c，由轉矩繞組的三相電流值控制電機的旋轉；中間部分將懸浮部分和旋轉部分得到的數據經3s/2s坐標變換，得到α、β軸上的分量，由無軸承異步電機轉子位移自檢測方法求得轉子在x、y軸上的徑向偏移距離x、y。

本發明的有益效果：

1、本發明通過對電機電感矩陣方程進行變換，得到徑向懸浮力繞組磁鏈，再獲得懸浮力繞組磁鏈差，進而求出轉子徑向位移；本發明用中間部分代替傳統的位移傳感器，能避免機械式位移傳感器對bim高速運行帶來的不利影響，減小bim的軸向尺寸，促進bim向小型化、實用化和低成本方向發展。

2、本發明在無軸承異步電機電壓模型法的基礎上，采用低通濾波器代替電壓模型中的純積分環節，辨識懸浮力繞組的磁鏈，進而利用電機電感矩陣和轉子徑向位移之間的關系，設計出轉子位移估計器；由于自檢測方法為在線檢測方法，能夠有效避免和其他高頻諧波信號摻雜在一起，不需要另外安裝信號處理裝置，簡化了控制系統的結構；除此之外，還保證了轉子的穩定懸浮，實現bim無位移傳感器方式下的穩定懸浮運行。本發明有效解決了傳統方法利用bim的非理想特性、易受電機結構以及參數影響、魯棒性差的問題。

3、利用低通濾波器代替電壓模型中的純積分環節的設計，避免了因初始值不為零時，純積分環節產生累積誤差，影響系統辨識精度的缺點。

附圖說明

圖1為基于改進電壓模型法的無軸承異步電機轉子位移自檢測方法的流程圖；

圖2為采用改進電壓模型法和傳統電壓模型法時轉子徑向位移波形對比圖，圖2(a)為采用改進電壓模型法和傳統電壓模型法時轉子x軸徑向位移波形對比圖，圖2(b)為采用改進電壓模型法和傳統電壓模型法時轉子y軸徑向位移波形對比圖；

圖3為基于改進電壓模型法的無軸承異步電機轉子位移自檢測控制系統框圖；

圖4為電壓模型的實現框圖；

圖5為改進電壓模型的實現框圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步進行詳細介紹，但本發明的保護范圍并不限于此。

如圖1所示，基于改進電壓模型法的無軸承異步電機轉子位移自檢測方法，包括步驟：

①計算無軸承異步電機徑向懸浮力繞組由轉子質心偏移產生的磁鏈差ψ″2α、ψ″2β：

電機電感矩陣方程為：

式中：l為電機電感，l1、l2分別為轉矩繞組、懸浮力繞組的自感，x、y分別為轉子在x軸、y軸上的偏移量，m為轉矩繞組和徑向懸浮力繞組之間的互感系數，且

其中：p為微分算子，m為電機轉子質量，l、r分別為轉子軸向長度、轉子半徑，μ0為空氣磁導率，n1、n2分別為轉矩繞組、徑向懸浮力繞組匝數。

在兩相靜止α-β坐標系中，電機電感矩陣方程(1)變形為：

式中：ψ1α、ψ1β分別表示轉矩繞組磁鏈在α、β軸上的分量，ψ2α、ψ2β分別表示徑向懸浮力繞組磁鏈在α、β軸上的分量，i1α、i1β分別表示轉矩繞組電流在α、β軸上的分量，i2α、i2β分別表示徑向懸浮力繞組電流在α、β軸上的分量；

當轉子質心不發生偏移時，電機電感矩陣方程中的x、y為零，此時懸浮力繞組磁鏈為：

若轉子質心產生偏移，此時懸浮力繞組磁鏈為：

由轉子質心偏移而產生的磁鏈差ψ″2α、ψ″2β為：

②由轉子質心偏移而產生的磁鏈差ψ″2α、ψ″2β的表達式(6)，可得轉子徑向位移為：

由式(7)設計出轉子位移估計器，采用本發明改進電壓模型法和傳統電壓模型法時轉子徑向位移波形對比圖如圖2所示。

③由式(7)可知，要得到轉子的徑向位移，需對徑向懸浮力繞組的磁鏈進行辨識，采用改進電壓模型法對其進行辨識，辨識過程如下：

由bim的數學模型可知，在兩相靜止α-β坐標系下，以懸浮力繞組定子磁鏈為狀態變量的數學模型為：

式中：ψs2α、ψs2β分別表示徑向懸浮力定子繞組磁鏈在α、β軸上的分量，us2α、us2β分別表示徑向懸浮力定子繞組電壓在α、β軸上的分量，rs2表示徑向懸浮力定子繞組電阻，is2α、is2β分別表示徑向懸浮力定子繞組電流在α、β軸上的分量；

以懸浮力繞組定子磁鏈為狀態變量的數學模型(8)變形為：

由于在電壓模型法中，當初始值不為零時，其純積分環節會產生累積誤差，因此會造成辨識誤差，為解決純積分環節造成的影響，本發明采用低通濾波器代替公式(9)中的純積分環節，其實現框圖如圖4所示；圖3為傳統電壓模型的實現框圖，其中，uabc、iabc分別為三相電壓和電流給定值，uaβ、iaβ分別三相電壓和電流在α、β軸上的分量，ψaβ為懸浮繞組定子磁鏈。

圖5為基于改進電壓模型法的無軸承異步電機轉子位移自檢測控制系統框圖，控制系統分為懸浮部分、中間部分和旋轉部分。

旋轉部分：將bim轉子的給定轉速ωr*與bim實測轉速ωr作為比較器的輸入，其輸出經pid調節后得到bim轉子的給定電磁轉矩te*，將bim給定電磁轉矩te*和給定氣隙磁鏈ψ1*作為氣隙磁場定向解耦控制的輸入，可得到bim轉矩繞組的給定電流在α、β軸上的分量i*1sα、i*1sβ，將i*1sα、i*1sβ進行3s/2s坐標變換，得到bim轉矩繞組的三相給定電流i*1a、i*1b、i*1c，然后將三相給定電流i*1a、i*1b、i*1c經電流反饋型脈沖寬度調制crpwm逆變后得到bim轉矩繞組三相電流值i1a、i1b、i1c，由轉矩繞組的三相電流值控制電機的旋轉。

懸浮部分：將電渦流傳感器測得的bim轉子的徑向位移偏移量x^*、y^*與采用改進電壓法得到的轉子徑向位移偏移量x、y作為比較器的輸入，其輸出值經pid控制器調節后產生bim轉子在x、y方向上的給定徑向懸浮力fx*、fy*，將給定徑向懸浮力fx*、fy*經力/電流轉換器轉換后得到bim徑向懸浮力繞組的給定控制電流分量i*2sα、i*2sβ，對給定控制電流分量i*2sα、i*2sβ進行3s/2s坐標變換得到bim徑向懸浮力繞組的三相給定電流值i*2a、i*2b和i*2c，然后將三相給定電流值i*2a、i*2b和i*2c經過電流反饋型脈沖寬度調制crpwm逆變后，得到bim懸浮繞組三相電流值i2a、i2b和i2c，用于控制電機轉子的懸浮。

中間部分將采集到的bim轉矩繞組三相電流值i1a、i1b、i1c經3s/2s坐標變換可得到轉矩繞組在α、β軸的分量i1α、i1β。同時，將采集到的bim懸浮繞組三相電流值i2a、i2b、i2c和三相電壓值u2a、u2b、u2c經3s/2s坐標變換可得到懸浮繞組在α、β軸的分量i2α、i2β和u2α、u2β,然后由公式(9)可求得懸浮繞組磁鏈ψ2α、ψ2β，最后可由公式(7)求得轉子在x、y軸上的徑向偏移距離x、y。

以上所述對本發明進行了簡單說明，并不受上述工作范圍限值，只要采取本發明思路和工作方法進行簡單修改運用到其他設備，或在不改變本發明主要構思原理下做出改進和潤飾的等行為，均在本發明的保護范圍之內。